软土路基高速公路常见病害地质雷达检测分析

谭 春

（上海市地质调查研究院，上海 200072）

软土路基高速公路常见病害地质雷达检测分析

谭 春

（上海市地质调查研究院，上海 200072）

在软土路基上建设高路公路，存在各种病害隐患，并成为影响高速公路质量安全的关键因素。应用地质雷达是对公路质量进行检测的最好的地球物理方法，其具有快速、准确、经济的特点，有很好的应用前景。

高速公路；病害分析；地质雷达；无损检测

从20世纪80年代后期起，中国开始建造高速公路，1988年首条高速公路—沪嘉高速公路建成通车。到2003年底，中国高速公路已达1.9万km，仅次于美国，居世界第二位。到2008年底，中国高速公路总里程达到3万km。据交通部2004年3月公布的《全面建设小康社会公路水路交通发展目标》，到2010年中国高速公路将达5.5万km，基本通达目前20万以上城镇人口的城市，东部地区基本形成高速公路网；二级以上公路总里程达45万km。中国将在2010年基本建成全国快速客货运输网络，实现大城市间400～500km当日往返，800～1000km当日到达；建制村通班车率达90%。这样快的高速公路建设速度，在世界上史无前例。

从目前中国公路建设的现状来看，最重要的是要把公路质量放在最重要的位置来考虑。然后要对现有公路，特

是高速公路进行养护和管理（包括路面、桥面、附属设施及设备的管理和养护），使其在最经济的投入下达到设计预定的使用寿命。

对于已建成的公路来讲，公路养护应放在重中之重的位置上。关于公路的养护要注意以下的几个方面。其一，要建立路面管理系统。国内有许多公路 有管理系统，有的有管理系统，但是并没有应用。另外还有公路养护管理系统。其二，要注意旧路面的修缮复原。旧水泥路面的修复方法可以概括为：修缮复原、加铺层和重建。混凝土路面的病害有结构性的和功能性的。结构性的病害造成路面承载能力部分或全部丧失，功能性的病害造成路面的安全度和舒适度不好。这些病害可以归结为材料问题、排水问题、施工问题、设计问题等等。修缮复原的方法适用于轻度的功能性病害或局部性的轻度的结构性病害。加铺层的方法适用于某些中度的和严重的病害。重建的方法适用于有严重病害，用前两种方法都不能有效修复的路面。抓好公路工程质量是一项综合性的工作，除制度上的保证之外，从技术的角度确保公路工程质量是对公路主要病害进行预防与治理的关键。一般情况下，在目前的施工技术下的公路病害主要表现为：高填路堤下沉、软土地基超限沉陷、沥青路面早期损坏、水泥路面断板开裂、路面不平整、桥梁伸缩与桥头跳车、隧道衬砌渗水、防护工程小型结构物表面粗糙、预应力管道压浆不实等。要对这些病害问题进行探查，同时又不影响公路的通畅运营，应用高频地质雷达方法是一种无损、快速而又经济的可以解决此类问题的方法。

1　公路路基结构分类及常见病害分析

从目前上海公路的建设情况来看，主要是两种形式的公路路基，其一为软土路基，其二为高填路堤。

上海为三角洲相沉积地带，所以高速公路的路基大多为软土，软土具有松软、孔隙比大（一般大于1.0）、天然含水率高（接近或大于液限）、压缩性高、强度低、渗透性小等特点。高填路堤是高于原地面的填方路基，其作用是支承路床和路面。路床以下路堤分为上路堤与下路堤：上路堤是位于路面以下80～150cm范围内的填方部分；而下路堤是上路堤以下的填方部分的总称。根据《公路路基设计规范》（JTJ013-95），当边坡总高度大于20m（土石质填料）和12m时（砂、砾石填料），应考虑边坡的稳定性，因此，此两数值可视为高填路堤的分界值。同时根据《公路路基施工技术规范》（JTJ033-95）规定：水稻田或长年积水地带，用细粒土填筑路堤高度在6m以上，其他地带填土或填石路堤高度在20m以上时，按高填土路堤施工。综合以上两项知，高填路堤即：水稻田或长年积水地带，用细粒土填筑的路堤高度在6m以上，其它地带填土或填石路堤高度在20m以上（填砂、砾石堤在12m以上）时称之为高堤；填土高度低于1m者为矮路堤；其它为一般路堤。一般情况下，公路病害的表现有以下的形式：

1.1软地基条件下的病害

按照《公路路基施工技术规范》（JTJ033-95），不得使用淤泥等劣质土，液限大于50、塑性大于50、塑性指数大于26的土，以及含水率超过规定的土。如将上述土料作为填料土进行填筑，则容易引发塑性变形与沉陷破坏。

如果道路施工中，排水系统做得不好或是施工不到位，当水浸入路基，引起路基内水位上升，填料中含水量增大，强度、稳定性降低，将造成路基下陷等破坏。

软地基处理后，若填土加载过快，尤其当接近或超过临界高度时，仍快速填筑，未能仔细进行沉降动态监测，造成路堤失稳；另外，在施工过程中质量把关不严，选择的塑料排水板型号和长度、粉喷桩、喷粉量、处理深度和搅拌等要求达不到设计要求，从而造成基础出现各种状况。

1.2高填路堤下沉或地基下陷

高填路堤下沉或地基下陷的主要影响因素有以下几个方面：

当工程地质条件不良，原地面比较弱，特别是在泥沼地段、流沙、垃圾及其它劣质土地段填筑路堤（上海的道路施工中都遇到过类似问题），而在填筑前未经换土或很好压实，则填筑完成后，原地面土壤易产生压缩下沉或挤压位移。当路堤穿过沟谷时，沟谷中心往往填土高度最大，向两端逐渐减低，在路堤横断面上，往往迎水面填土高度小于迎水面，这样也将由于填土高度不同而可能产生不均匀下沉，引起道路在运营中容易产生隐患。

在恶劣的天气与气候条件下，如降雨量过大、洪水猛烈、干旱、冰冻、积雪或温差过大等，都可能使高路堤产生不均匀沉降，从而造成路基结构失稳或更严重的病害出现。

施工过程中的一些处理措施不当，如：填筑顺序不当，压实不足，在填挖交界处没有挖台阶，导致交界处的不均匀沉降，柔性填土与刚性构造衔接处，台后和通道两边高填土下沉，施工过程中未注意排水，遇雨天施工时路基积水严重，排水工作系统不良或无法自行排出。

1.3沥青路面的早期破坏

沥青路面在设计年限内由于各种原因而发生早期破坏，这些早期破坏表现为以下的形式：开裂—冬季沥青路面的横向开裂；路面车辙—夏季高温期在重载车及重型机械作用造成的纵向永久性变形；水损害—雨季或春融季节出现的坑槽；路面的表面功能衰减—沥青路面由于泛油、石料磨光及路面破损引起的表面功能降低或丧失（此在郊区县的公路中较为常见）。

1.4水泥混凝土路面裂缝

水泥混凝土路面是指以水泥混凝土面板和基（垫）层所组成的路面，其由路基和路面两部分组成。构成路面的铺筑层，按其所处的层位作用，又主要分为面层、基层和垫层。面层直接承受车辆荷载及自然因素的作用，并将荷载传递到基层的结构层，它除满足强度要求外，还应有足够的平整度和防滑性能，以保证行车舒适和安全性；基层是设在面层以下的结构层，主要承受由面层传递的载荷，并将载荷分布到垫层或土基上，它是路面的主要承载层，因此基层本身也应具足够的强度，才能抵抗行车载荷的各种应力；垫层是设于基层以下的结构层，主要作用是隔水、排水、防冻以及改善基层和土基的工作条件。

它常见的病害主要为以下几种形式：

（1）结构强度不足造成的破坏

主要是在现有的混凝土路面弯拉设计强度基础上的设计板厚不够，结构种类单一，总体结构强度偏弱。相当多的公路建设中，偷工减料现象严重；另一方面，现有的路面设计弯拉强度难以承受超重型载重交通量的破坏。

（2）非机械化施工程度低

先进的滑模机械施工技术普及程度不够，人工施工的高等级公路特别是高速公路由于非机械化施工程度低而引起早期破坏相当严重。

（3）面板不够实

人工施工的混凝土路面板捣振不够，从面影响路面板强度。不少路面因混凝土局部强度偏低，造成使用中磨损严重，表面裸露集料，局部成坑，平整度严重劣化。

（4）路基和基层支撑不稳定

支撑变形量超出了路面板所能容许的限度，造成大量断板破坏。除了软基和填挖处理不好带来的问题外，更多的是基层石灰土、水泥土等材料抗冲刷能力不足，大量使用“两灰一白”的透水的“蓄水槽”横断面结构，使水破坏导致的断板相当严重；其次是填方路基局部软化甚至塌陷造成的断板破坏。

（5）接缝密封不好

渗透排水不畅，导致了基层软化，造成唧泥、错台和啃边，致使路面平整度差，行车舒适性差。

1.5其它公路病害

在公路上，还出现其它的多种病害如：桥头及桥梁伸缩缝处跳车，防护工程与小型结构物表现粗糙，公路隧道衬砌渗漏水等等。

2　新型道路检测雷达系统的特点与优势

美国劳雷公司在地质雷达方面的研究水平一直处于世界前列，其SIR系列的地质雷达在我国的应用具有很好的连续性，从上世纪90年代初的SIR-2，到90年代中后期的SIR-10H，及至目前的SIR-20型地质雷达数据采集与处理系统，在我国道路检测方面的应用具有良好实效。

2.1SIR-20型地质雷达系统的特点

（1）空气耦合型且自带探测轮的封闭天线

大规模的公路检测，工作量大，数据处理工作繁琐，如果采用不能标定距离且稳定性不好的天线，会给数据采集与处理工作徒增不少工作量。传统地质雷达所采用的天线系统，一般都是贴地天线，往往在大量数据的采集过后，标定桩号费神费事。而最新的SIR-20地质雷达使天线架空，发射和接收的耦合条件彻底改变，可以采集到质量良好的雷达记录。同时，通过天线自带的探测轮，可以使桩号的标定变得简单，道路下异常体可以很好地归位。

（2）高速扫描率

SIR-20地质雷达通过车载形式，采集工作简单快速，雷达采用自激自收的示波采样技术，即递次采样每个重复发射的脉冲。这就需要仪器系统具有很高的绝对采样率和重复发射率，以及精确的DSP处理控制采样相加技术。目前SIR-20的雷达采集速率可以达到800次/秒，而且仪器系统配制简单，存储量大，仪器的内存达到20G之多，单个剖面数量内存量只受计算机内存的限制。

（3）精细的分辨率

道路检测雷达应用在公路上可以归结为两大功能：（1）作为施工质量控制，它包括测量各个结构层的厚度和连续性，检查各结构层是否压密，是否有脱空或充水现象；（2）作为维护检测，它包括层间分析连接、裂隙、空洞、渗水、路基塌陷、桥面钢筋锈蚀和面层磨损等等。不管哪一种应用，对道路探测雷达来说，分辨率，即区分最小异常的尺度都是至关重要的前提。拿测量面层作为例子，我国的沥青路面标准从上到下大致为磨耗层3～4cm、中面层4cm、底面层4cm。按照雷达子波分辨率的估计，最小分层（垂直分辨率）的极限为1/4波长。能够划分出3cm磨耗层的最小波长不能超过12cm。我们知道，空气中电磁波速度C=30cm/ns，沥青或水泥等材料中的电磁波速度约为C/2.5或C/4，即12cm/ns至7.5cm/ns。所以理论上，能满足测量最小面层分层的雷达天线主频不能低于1000MHz，即1GHz，这时，天线信号脉冲宽度为1ns，波长10cm左右，更何况实际测量中有噪音干扰、有技术人员操作上的误差，所以SIR-20型雷达测量路面系统的空气耦合天线有1.5GHz和2.2GHz两种天线，可以满足检测公路精细结构、道路下异常隐患的要求。

2.2SIR-20型地质雷达系统的优势

（1）多种数据显示形式互补

SIR-20地质雷达系统采集到的数据，具有多种显示形式，除了最常见的波形显示外，还有线扫描显示、示波器显示及单道脉冲显示、三维数据格式显示、时间切片显示、多道显示及交互式显示格式等。多种数据格式显示功能，可以帮助数据处理工作者对野外数据有一个详细的了解，通过各种互补的数据显示形式，可以直观地看出数据中的各种异常现象，而且具有很好的对比功能，从而满足后续数据的处理与解释功能。

（2）多种数据处理模块

SIR-20型地质雷达数据处理系统，具有地形校正、距离标定、时空域数字滤波、有限脉冲与无限脉冲滤波、偏移归位处理等功能模块。对于地下复杂的目的物，可以通过三维的形式进行数据的处理与显示，而且处理结果可以形象地再现地下异常体的真实现状。

（3）目的物的结构识别功能

对于地下层状的介质体，如高速公路的检测，可以进行结构识别。地质雷达最多可以自动追踪识别地下数十层的结构层，而且每一层的结构数据（层厚、层间波数等）可以自动显示出来，方便而又直观。

3　地质雷达在公路检测中的应用实例

近年来，随着高等级公路的日益增多，公路工程质量愈来愈受人们重视。传统的采用钻孔取芯来检验路面厚度的做法已不能满足设计要求，同时，用钻孔取芯作为质量评价依据的方法，存在很多缺陷。一是钻取芯样数量少，密度低，根据相关规范，每车道沥青混凝土路面每200m钻取一个芯样，其代表性差；同时由于钻取芯劳动强度大，芯样厚度值用千分尺（或钢尺）读取，误差大；二是取芯对于路面具有破坏作用，不能达到无损的目的。采用钻孔取芯法，在钻孔回填处，因应力集中或渗水的问题容易导致路面开裂，造成路面破坏，缩短了道路的使用寿命。

使用高速多通道地质雷达对道路表面进行检测，可以使数据采集连续性好，而且由于采用探测轮进行距离的标定，可以准确地定出道路异常点的位置。使用最新的SIR-20型地质雷达进行道路检测，其检测速度一般为20～40km/ h，最高可达80km/h；检测精度高，测量误差≤3mm，并可自动区别不同材料的界面。地质雷达检测技术可对路面厚度指标做出全面实际的评价，为公路施工管理和维护提供科学依据，对确保工程质量和延长道路使用寿命起到重要作用。另外，如果在路面施工过程中采用地质雷达进行检测，对路面厚度施工进行实时全程监控，可显著提高厚度控制水平，同时可以为节约施工材料带来明显的经济效益。从目前的发展态势来看，地质雷达无损检测技术在高等级公路施工质量监控及维护中具有广泛的应用前景。

现以上海市浦东新区某公路的检测为例，具体说明SIR-20型地质雷达的应用效果。

3.1公路结构层雷达探测

质量良好的公路路基压实较好、土层密实、分布均匀，除路面基层与填土间存在介电常数差异外，其它介质介电常数变化较小，反射面不明显。雷达探测图上波形平缓、规则、无杂乱反射（图1）。

3.2路基填土不密实

图1　公路结构层地质雷达扫描结果Fig.1　The scan results of road’s structure by ground penetrating radar （GPR）

路基填土不密实呈松散状态，含水量相对偏大，个别甚至呈液限，此区域相对介电常数与周围介质相差较大。由于土层疏松、孔隙率大、含水量不均匀，故电磁波反射面多而乱。在雷达探测图上表现为反射波较多、不连续且反射能量强弱变化较大，图形较为杂乱，如图2所示。

图2　路基结构疏松区地质雷达检测结果Fig.2　The detection results of loosen area under road by GPR

3.3路面与填土层脱空

填土层下沉与路面基层之间脱空，一般范围较大，脱空区空气厚度为数厘米到数十厘米。脱空区介质的介电常数差异较大，反射面明显且反射能量强，反射波呈水平分布，如图3所示。

图3　路面结构脱空区域检测结果Fig.3　The detection results of the road’s void area by GPR

3.4地下管线埋设所引起的结构体破坏

一般城市地下管线的埋设都是在公路修筑完成之后进行，在有管线井或是浅埋管线的位置，施工采用开挖补丁的方式进行，补丁一般是对损坏的面板用水泥混凝土或沥青进行局部的修补。修补过后，由于补丁采用的材料与道路施工所用的材料配比上的不一样，因而在这些区域，形成了疏松或是面层的损伤，导致路面在交付使用以后，在两次施工的区域，形成微裂缝、露冒、麻面、剥落或是接缝损坏等，更有甚者会形成孔洞和坑槽。图4为公路浅部管线的埋设造成的公路结构体损坏探测结果图。

图4　管线埋设造成的面层破坏雷达探测结果Fig.4　The detection results of face destroy because of buried pipe by GPR

3.5路基下高含水率

公路如果对于外界的自然因素（如雨水冲刷等）的抗冲刷能力和抗侵蚀能力不强，尤其是在填筑以后板结初期更容易被外界自然因素破坏，使其不易达到设计及规范要求的强度和密实度，在雨水浸泡过后，容易形成含水富集区，成为公路的结构与强度隐患。如图5所示为含水富集、介质介电常数差异较大引起的异常。

图5　含水富集、介质介电常数差异较大引起的异常Fig.5　The detection results of high rate of water content by GPR

4　结束语

抓好公路工程质量是一项综合性的工作，除制度上的保证之外，从技术的角度确保公路工程质量是对公路主要病害进行预防与治理的关键。一般情况下，高填土施工技术下的公路病害主要表现为：高填路堤下沉、软土地基超限沉陷、沥青路面早期损坏、水泥路面断板开裂、路面不平整、桥梁伸缩与桥头跳车、隧道衬砌渗水、防护工程小型结构物表面粗糙、预应力管道压浆不实等。在目前的技术条件下，要对这些病害问题进行探查，同时又不影响公路的通畅运营，应用高频地质雷达方法是一种无损、快速而又经济的可以解决此类问题的方法。而且从目前中国公路建设的发展速度来看，地质雷达在公路质量检测中的应用具有非常广阔的前景。

（References）

［1］ 交通部公路司. 公路工程质量通病防治指南［M］. 北京:人民交通出版社，2002. The highway department of ministry of communications of China. Guide for prevention and control of highway engineering quality common faults［M］. Beijing: China Communications Press， 2002.

［2］ 杨建刚. 工程物探方法在上海城市建设与管理中的应用［J］. 上海地质，2006，27（4）:14-18. Yang J G. The application of engineering-physical geography on city construction and management in Shanghai［J］. Shanghai Geology， 2006，27（4）:14-18.

［3］ 郭铁拴，刘兰波，张晓东. 地质雷达技术指标的标定研究［J］. 地球物理学进展，2005，20（2）:454-459. Guo T S， Liu L B， Zhang X D. On calibration of the technical parameters of geological radar［J］. Progress in Geophysics，2005，20（2）:454-459.

［4］ 叶昭龙，罗伟诚，林政伟，等. 荷重引发土体应力增量对压密沉陷之影响［J］. 上海国土资源，2014，35（4）:31-34，39. Yeh C L， Lo W C， Lin C W， et al. Consolidation of unsaturated porous media due to external loading［J］. Shanghai Land & Resources， 2014，35（4）: 31-34，39.

［5］ 朱兆勇，陶伟，赵永强. 强夯联合塑料插板堆载预压法在陈海公路中段软基处理中的应用［J］. 上海地质，2004，25（4）:29-32. Zhu Z Y， Tao W， Zhao Y Q. Application of soft foundation treatment by dynamic consolidation combination with prefabricated vertical drains and preloading in Chenhai road （middle part）［J］. Shanghai Geology， 2004，25（4）:29-32.

［6］ 薛建，田钢，谭笑平，等. 地质雷达在高速公路质量检测中的应用［J］. 世界地质，1997，16（2）. Xue J， Tian G， Tan X P， et al. The application of geological radar in highway quality detection［J］. World Geology， 1997，16（2）.

［7］ 李小平. 探地雷达技术在公路病害探测中的应用［J］. 上海地质，2008，29（2）:54-56. Li X P. Application of ground penetrating radar techniques on test of highway hazard［J］. Shanghai Geology， 2008，29（2）:54-56.

［8］ 辛伟，杨振海. 高速公路碎石桩软基加固质量检测方法探讨［J］.上海地质，2003，24（2）:35-37，43. Xin W， Yang Z H. Discussion on test methods in soft soil improvement of expressway by gravel pile［J］. Shanghai Geology，2003，24（2）:35-37，43.

Typical problems of freeways constructed on soft clay ground, and their detection by ground-penetrating radar

TAN Chun
（Shanghai Institute of Geological Survey， Shanghai 200072， China）

Freeways that are constructed on soft clay ground exhibit particular problems. The quality of a freeway is the key factor determining whether the road will remain in a normal condition or not. From the development view， ground penetrating radar （GPR） is the best technique for inspecting the quality of the freeway. At the same time， GPR is time-saving， economical and efficient. It opens up broad possibilities for the use of modern technology.

freeway； disease analysis； ground penetrating radar； non-destructive test

P631

A

2095-1329（2016）03-0092-05

10.3969/j.issn.2095-1329.2016.03.022

2016-06-27

2016-08-15

谭春（1975-），男，硕士，工程师，主要从事地球物理探测研究.

电子邮箱: tanqq2007@163.com

联系电话: 021-56618152